基于CPLD的LED點(diǎn)陣顯示控制器-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于CPLD的LED點(diǎn)陣顯示控制器-設(shè)計(jì)應(yīng)用在系統(tǒng)可編程技術(shù)（ISP—InSystemProgramming）及其在系統(tǒng)可編程系列器件，是90年代迅速發(fā)展起來的一種新技術(shù)和新器件。現(xiàn)場可編程器件（FPGA和CPLD）等ISP器件無須編程器，利用器件廠商提供的編程套件，采用自頂而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，使用原理圖或硬件描述語言（VHDL）等方法來描述電路邏輯關(guān)系，可直接對(duì)安裝在目標(biāo)板上的器件編程。它易學(xué)、易用、簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)規(guī)模，縮短設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本，從而給電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來了革命性的變化。1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

LED點(diǎn)陣顯示控制的傳統(tǒng)方式是采用單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)作為CPU來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)顯示的信息比較多時(shí)，由于單片機(jī)的輸入/輸出端口（I/O）有限，采用此方式的成本將大大增加，系統(tǒng)和程序的設(shè)計(jì)難度也急劇增加；而且，當(dāng)系統(tǒng)完成后修改、改變顯示方式或擴(kuò)展時(shí)，所需改動(dòng)的地方比較大，甚至有可能需要重新設(shè)計(jì)；另外，在以顯示為主的系統(tǒng)中，單片機(jī)的運(yùn)算和控制等主要功能的利用率很低，單片機(jī)的優(yōu)勢得不到發(fā)揮，相當(dāng)于很大得資源浪費(fèi)。如果采用現(xiàn)場可編程邏輯器件作為CPU來設(shè)計(jì)控制器，選擇合適的器件，利用器件豐富的I/O口、內(nèi)部邏輯和連線資源，采用自頂而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，可以方便地設(shè)計(jì)整個(gè)顯示系統(tǒng)。由于PLD器件的外圍器件很少，且可以利用PLD的編程端口（可復(fù)用）進(jìn)行在系統(tǒng)編程，使得系統(tǒng)的修改、顯示方式的改變和擴(kuò)展都變的非常簡單、方便。本系統(tǒng)采用單個(gè)16×16LED點(diǎn)陣逐列左移（或右移）顯示漢字或字符，需顯示漢字或符號(hào)的16×16點(diǎn)陣字模已經(jīng)存放在字模存儲(chǔ)器中。顯示控制器由復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7128SLC84-15來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)原理是PLD控制模塊首先產(chǎn)生點(diǎn)陣字模地址，并從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)存放在16位寄存器中，然后輸出到LED點(diǎn)陣的列，同時(shí)對(duì)點(diǎn)陣列循環(huán)掃描以動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)需要顯示數(shù)據(jù)字模的列和被選中的列能夠協(xié)調(diào)配合起來，就可以正確顯示漢字或符號(hào)。

圖1點(diǎn)陣顯示控制器原理框圖

2、控制器設(shè)計(jì)及工作原理

從框圖中可以看出，系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制器的設(shè)計(jì)。LED點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)地址的產(chǎn)生、點(diǎn)陣列掃描和需顯示數(shù)據(jù)的配合以及點(diǎn)陣顯示方式控制的實(shí)現(xiàn)都必須由控制器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)單個(gè)16×16LED點(diǎn)陣顯示控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的頂層邏輯原理圖如圖2所示。

圖2控制器頂層電路原理圖

原理圖中包含5個(gè)模塊，其中sequ模塊產(chǎn)生讀信號(hào)RDN和10位地址線（AD[9..0]）中的位地址AD0，AD0和其它模塊產(chǎn)生的地址配合，通過8位數(shù)據(jù)線（DATA[7..0]）從存儲(chǔ)器讀出列高字節(jié)（AD0=1時(shí)）和低字節(jié)（AD0=0時(shí)），由于16×16點(diǎn)陣字模數(shù)據(jù)為32個(gè)字節(jié)，每列含兩個(gè)字節(jié)即16位，它由HOUT[7..0]和LOUT[7..0]來構(gòu)成；模塊add16由adclk提供一個(gè)慢時(shí)鐘構(gòu)成16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的輸出送給addr16模塊，為變模計(jì)數(shù)器addr16提供一個(gè)模，通過模的規(guī)律變化以控制點(diǎn)陣按照左移或右移等顯示方式進(jìn)行顯示；模塊decode4_16是一個(gè)4—16譯碼器，其輸出ROUT[15..0]連接到LED點(diǎn)陣的列，可選中16×16LED點(diǎn)陣的某列，并顯示sequ模塊輸出的點(diǎn)陣高低字節(jié)（字模）數(shù)據(jù)；模塊addr16為點(diǎn)陣顯示控制的，為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣漢字從右到左逐列移動(dòng)顯示，它由add16模塊提供的模，在addr16內(nèi)部構(gòu)成兩個(gè)變模計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)用來產(chǎn)生讀字模數(shù)據(jù)的地址AD[4..1]，另外一個(gè)產(chǎn)生16×16LED點(diǎn)陣列掃描選擇地址SUABAD[3..0]，列掃描選擇地址由decode4_16譯碼后輸出；模塊addr1為字選擇計(jì)數(shù)器，其輸出可以控制多塊LED顯示器的顯示及其顯示方式。

控制模塊addr16采用AHDL語言設(shè)計(jì)，在開發(fā)軟件MAX+plusⅡ10.2中實(shí)現(xiàn)，程序如下所示。

SUBDESIGNaddr16

(

ckdsp,reset,in[3..0]:INPUT;

ad[4..1],subad[3..0]:OUTPUT;

)

VARIABLE

reg1[3..0]:DFF;

reg2[3..0]:DFF;

reg3[3..0]:DFF;BEGIN

reg1[].clk=ckdsp;

reg1[].clrn=reset;

reg2[].clk=ckdsp;

reg2[].clrn=reset;

reg3[].clk=!ckdsp;

reg3[].clrn=reset;

reg2[].d=15-in[];

ifreg1[].q=in[]then

reg1[].d=0;

else

reg1[].d=reg1[].q+1;

endif;

ad[]=reg1[];

reg3[].d=reg1[].q+reg2[].q;

subad[]=reg3[].q;

END;

為了實(shí)現(xiàn)字符由右到左逐列移動(dòng)顯示，模塊addr16內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩個(gè)由add16控制的變模加法計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)輸出為ad[4..1]（4位地址線），另一個(gè)輸出為subad[3..0]（列掃描控制線）。從程序可以看出，當(dāng)模輸入in[3..0]=0時(shí)，ad[4..1]=0，而subad[3..0]=15，此時(shí)ad[9..5]亦等于零，AD0在0和1間變化，即讀出個(gè)字符的列并顯示在LED的第16列；當(dāng)模輸入in[3..0]=1時(shí)，在記數(shù)脈沖AD0的作用下，ad[4..1]和subad[3..0]都為二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，但ad[4..1]由0加到1返回到0，同時(shí)subad[3..0]由14加到15返回到14，此時(shí)ad[9..5]仍然等于零，AD0在0和1間變化，即讀出個(gè)字符的、二列并顯示在LED的第15、16列…由此類推，可見當(dāng)模塊add16的加法記數(shù)輸出由0變到15時(shí)，LED點(diǎn)陣字符將由左到右逐列移動(dòng)顯示。以上程序在MAX+plusⅡ10.2上仿真驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可以看到，由計(jì)數(shù)模控制輸入in[3..0]控制的兩個(gè)變模計(jì)數(shù)器輸出ad[4..1]和subad[3..0]的結(jié)果正確無誤。

圖3addr16模塊仿真時(shí)序圖

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意模塊sequ的記數(shù)時(shí)鐘CLK頻率的選擇應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模塊add16的記數(shù)時(shí)鐘adclk的頻率，addr16的記數(shù)時(shí)鐘為地址位AD0，字選擇計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖為16進(jìn)制模塊add16的位OUT3。這樣，ad[4..1]和subad[3..0]同步變化的足夠快，在點(diǎn)陣LED上可以看到完整的字符，并當(dāng)add16記數(shù)到15產(chǎn)生進(jìn)位返回到0時(shí)，字選擇模塊addr1獲得一個(gè)記數(shù)脈沖并加1（上升沿觸發(fā)），此后將顯示下一個(gè)字符。

3、系統(tǒng)擴(kuò)展

以上為顯示單個(gè)字符系統(tǒng)，若要同時(shí)顯示多個(gè)字符時(shí)，可以按照圖1加入虛線框內(nèi)部分，并且模塊addr1設(shè)計(jì)成addr16的格式，把AD4作為addr1的記數(shù)脈沖即可。按照EPM7128SLC84—15的資源（64個(gè)I/O口，2個(gè)全局時(shí)鐘，1個(gè)全局復(fù)位和5個(gè)可復(fù)用專用端口，5000個(gè)等效邏輯門，192個(gè)內(nèi)部寄存器），若不外部擴(kuò)展譯碼器，可以有效控制約16個(gè)字符的顯示；而采用外部譯碼器時(shí)，可以控制的字符數(shù)將大大增加，但須注意時(shí)鐘CLK的頻率需要提高，以視覺不能看到整個(gè)字符的閃爍為基準(zhǔn)。

4、結(jié)論

以上點(diǎn)陣字符顯示系統(tǒng)在開發(fā)軟件MAX+plusⅡ10.2上經(jīng)仿真驗(yàn)證無誤，并且已經(jīng)成功地應(yīng)用在煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)的大屏幕顯示中。另外，由于器件含有豐富的可編程連線資源，當(dāng)系統(tǒng)顯示方式和顯示字符個(gè)數(shù)變化時(shí)，只需要通過開發(fā)工具修改控制器的控制邏輯和連接關(guān)系，再將修改完成的程序通過電纜到器件即可，而電路板可以不做任何改動(dòng)，可見，系統(tǒng)的維護(hù)和修改是極其方便和容易的